超短光纤光栅刻写及其切趾方法研究

李 江,辛璟焘,吴 昊,祝连庆

(1.北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室,北京 100192； 2.北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室,北京 100016)

1 引 言

与传统的电传感器相比,FBG传感器具有许多独特的优势[1-4],不受电磁干扰、抗辐照、体积小、质量轻和准分布式测量[5-7]，在航空航天和安全监测等诸多领域具有重要的应用前景。

FBG的光谱特性对于其传感应用非常重要,采用光谱重构方法进行传感解调时,高反射率和较窄的光谱为解调精度提供了便利。为了确保窄光谱宽度和高反射率,FBG的长度应达到厘米的数量级。但是,光栅长度过长容易使FBG传感器在封装时产生啁啾[8-10],引起反射光谱的展宽和分裂[11],从而影响了解调精度。同时,超短光纤光栅还可提高非均匀场测量的空间分辨率[12]。在航空航天、工业生产、精密感知等领域,需要有很多毫米级小尺寸部位的结构健康监测,以及光栅内埋的复合材料损伤识别的需求要对测点位置进行精确定位。对比于常规光纤光栅,超短光纤光栅的反射率低、反射谱宽,旁瓣显著,光谱覆盖数十纳米,不利于传感复用和解调,因此需要对超短光纤光栅进行切趾[13-14]。

2013年,武洪波等人采用二次曝光法进行2 mm光栅的切趾,实现了边模抑制比大于20 dB的光纤光栅制作[15]。2017年,敬世美等采用飞秒激光制作了超短光纤光栅,并完成过了温度和应变传感特性测试[16]。2018年以来,本课题组研究了毫米量级的超短光纤光栅制作,并将其用于高空间分辨率温度场的监测[17-18]。为了进一步减小刻写光栅的尺寸和抑制反射谱的旁瓣。本文使用光阑遮挡、调节光栅与掩模板间距的方法实现了50 μm的超短光纤光栅制作。并通过单缝衍射调制光束强度分布的方法进行光栅切趾,实现了边模抑制比大于30 dB的0.5 mm光栅的刻写。

2 超短光纤光栅光谱特性

本文采用传输矩阵理论,对超短光纤光栅的反射光谱进行仿真。分别仿真了栅区长度为0.2 mm、0.5 mm以及栅区长度为0.05 mm、0.1 mm两组光纤,在折射率调制深度为2×10-3的条件下,反射光谱仿真结果如图1所示,两组光纤的反射率分别为57 %、19 %与7 %、2 %,对应的3 dB带宽分别为1.8 nm、4.0 nm与7.4 nm、14.7 nm。从图1(a)、(b)可以看出均匀超短光纤光栅的光谱有明显的旁瓣。对光栅进行切趾可抑制其旁瓣,如图2是栅区长度为0.5 mm、0.2 mm的采用高斯函数切趾处理的光栅反射谱仿真图,其反射率分别为22 %、6 %,对应的3 dB带宽分别为2.3 nm、5.5 nm。为了更好地从仿真图中辨识切趾光栅的边模抑制,采用对数光强单位,从图2可以看出,采用高斯函数切趾可以实现30 dB的边模抑制比。

图1 均匀超短光纤光栅反射光谱仿真图

图2 高斯切趾超短光纤光栅反射光谱仿真图

3 超短光纤光栅刻写

光纤光栅刻写系统如图3所示,准分子激光器输出的激光经过可调光阑、空间滤波及整形模块后形成一个长方形均匀光斑。该光斑再经过幅度掩模板后形成与幅度模板形状一致的光斑,并经过柱透镜聚焦后经过相位掩模板,相位掩模板的±1级衍射形成干涉条纹。当该干涉条纹辐照具有光敏性的光纤一段时间后,就可以在光纤中形成不同强度的光纤光栅,最终光纤光栅的类型和参数将决定于光纤和干涉条纹的相对位置关系、相位掩模板的周期、辐照时间等因素。

图3 光栅刻写系统原理图

装置示意图如图4所示,4个焦距为100 mm的柱面镜,在柱面镜1和柱面镜2中心处放置50 μm的水平狭缝,在柱面镜3和柱面镜4中心处放置50 μm竖直狭缝,经过上述4f系统,出射光束为矩形光束,其空间相干性和均匀性均大幅提高。

图4 基于柱面镜的4f系统滤波扩束装置

为了实现超短光栅的刻写,在距离掩模板前表面1 mm处,放置宽度分别为500 μm、200 μm的狭缝,并通过调节光纤与掩模板之间的距离,来缩小光纤上的有效曝光长度。其原理如图5所示,光束经过掩模板后的衍射关系可用光栅方程式(1)表示:

dsinθ=mλ

(1)

其中,d为狭缝间距;m为整数;θ为光束衍射角;λ为光束的波长。本文中d=1070.3 nm,m=1,λ=248 nm。当光纤距离掩模板距离为D时,根据图4的几何关系,可以求得,刻写光栅的有效栅区长度Leff由式(2)计算为:

(2)

其中,L是入射到掩模板激光束的长度。实验中L分别设定为0.5 mm、0.2 mm,使用不同类型的光纤进行光栅刻写。如图6是不同光纤在激光脉冲能量50 mJ、重复频率为25 Hz、曝光时间为200 s的情况下,刻写的不同栅区长度的超短光纤光栅的反射光谱。随着光栅长度的缩短,光栅的反射率降低、光谱带宽增加。相比于Corning SMF-28e光纤,在相同的曝光参数下,Corning HI106FLEX光纤刻写的FBG具有更高的反射率。因此本文采用Corning HI106FLEX进行超短光纤光栅的刻写。

图5 调节光纤-掩模板距离的方法刻写超短光栅原理图

图6 超短光纤光栅的反射光谱图

4 超短光纤光栅切趾

目前常用的光栅切趾方法有逐点刻写法、二次曝光法等。其中二次曝光法具有操作灵活,边模抑制比高等优点,是目前大批量生产切趾光栅的常用方法。上述切趾方法适用于栅区长度较长的光栅切趾。对于栅区长度为1 mm以下的光栅,上述方法并不适用。本文提出一种利用单缝衍射调制紫外激光强度分布的超短光栅切趾方法。采用商用掩模板和光阑等装置实现了边摸抑制比大于30 dB的光栅切趾。单缝衍射的光强分布呈现sinc2函数,可将其主峰用于切趾光栅的刻写。通过角谱衍射理论数值模拟寻找主峰宽度为0.5 mm的单缝衍射光路结构。最终确定光束经过0.2 mm直径的狭缝后,在距离其20 mm位置上的主峰宽度为0.5 mm,光强分布如图7所示,其强度分布近似为sinc2函数。通过在相位掩模板前增加0.5 mm宽度光阑的方法,消除sinc2函数光场的旁瓣,再进行光栅的刻写。

图8是超短光栅的反射光谱图,图8(a)为栅区长度为0.5 mm的反射光谱图,其边模抑制比大于25 dB。通过调节衍射狭缝与掩模板间距将刻写光栅的有效长度调节至0.2 mm,图8(b)为栅区长度为0.2 mm的反射光谱图,其边模抑制比大于15 dB。随着光纤与衍射狭缝距离的进一步增加,光栅切趾效果显著下降。

图7 经过单缝衍射后的光强分布

图8 sinc2切趾超短光纤光栅仿真反射光谱图

5 结 论

本文采用准分子激光和相位掩膜板等装置制作超短光纤光栅,通过设置狭缝光阑和调节掩模板与光纤距离的方法控制刻写光栅的有效长度,适用于百微米量级光纤光栅的刻写,实现了光栅长度为50 μm、3 dB带宽为14 nm的超短光纤光栅刻写。通过单缝衍射的方法控制光束强度的分布,从而对光栅进行切趾,此方法可以实现边模抑制比大于30 dB、长度为0.5 mm的光栅刻写。本文研究的超短光纤光栅的刻写与切趾方法,为超短光纤光栅在传感领域中的应用提供了重要支持。